2020学年鲁科版物理选修3-5 第4章 第2节　核裂变学案

第2节　核裂变
　1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点)　2.知道什么是链式反应．
3．会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点＋难点)　4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．
　[学生用书P55]
一、重核的裂变
核裂变：像中子轰击铀核分裂成质量相近的两部分那样，重核分裂成质量较小的核的反应，称为核裂变．
裂变能：核裂变释放的能量，也称核能或原子能．
铀核的裂变
(1)两种常见的核反应方程：
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)铀核裂变释放的能量是巨大的，裂变反应中每个核子释放的能量约为1__MeV．

1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．(　　)
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．(　　)
提示：(1)×　(2)×二、链式反应
链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出2～3个中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断地继续下去，成为链式反应．
发生条件
(1)有持续不断的中子源．
(2)达到临界体积．

发生链式反应为何会有临界体积呢？
提示：原子核的体积很小，原子内部绝大部分是空隙．如果铀块的体积不够大，中子通过铀块时可能碰不到铀核而跑到铀块外面去．
三、裂变反应堆
用人工的方法控制链式反应的速度，人们制成了核反应堆，它是能维持和控制核裂变的装置．
核反应堆包含堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．堆芯又由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．

2．(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．(　　)
(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．(　　)
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害．(　　)
提示：(1)×　(2)√　(3)×

　重核的裂变及链式反应[学生用书P56]
裂变的发现：1938年12月，德国化学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．
裂变的解释：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，核子间的
距离增大，核力减小不足以抵消质子间的库仑斥力而恢复原状最后分裂成两部分，同时放出中子．
裂变过程为什么能放出能量
中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定．如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量.U的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：
U＋n→Xe＋Sr＋2n
U＋n→Ba＋Kr＋3n
在重核裂变过程中，核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，但反应前后质量不同，发生了质量亏损，释放出能量．
计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量．
已知m(U)＝235.043 9 u，mn＝1.008 7 u，m(Ba)＝140.913 9 u，m(Kr)＝91.897 3 u，且1 u质量对应的能量为931.56 MeV
裂变前：m1＝(235.043 9＋1.008 7) u＝236.052 6 u
裂变后：m2＝(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7) u＝
235．837 3 u
质量亏损：Δm＝0.215 3 u
释放能量：ΔE＝0.215 3×931.56 MeV＝200.56 MeV.
重核裂变的条件
(1)重核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发地产生裂变，而是发生衰变．
(2)要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使其分裂，并放出更多的中子，这些中子再去轰击更多的铀核，产生更多的中子，就形成了链式的反应．如图所示

(3)链式反应速度很快，如不加以控制，能量在瞬间急剧释放引起剧烈爆炸(如原子弹)．如果运用一定方法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)．
　(1)U裂变的产物是多种多样的，但裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数和电荷数守恒编造裂变反应．
(2)裂变的链式反应需要一定的条件才能维持下去
①要有足够浓度的铀235；
②要有足够数量的慢中子；
③铀块的体积大于临界体积．
　关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　)
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
[思路点拨] 重核裂变问题，要注意明确下列三点：
(1)原子核裂变时核能的来源；
(2)链式反应能够发生的条件；
(3)裂变反应遵循的规律．
[解析]　根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、核电荷数均守恒，即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选D.
[答案]　D
eq \a\vs4\al()
在重核的裂变反应中仍然遵循质量数守恒与核电荷数守恒．　
　核能的利用[学生用书P57]
原子弹杀伤力强大的原因：核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．
核反应堆——核电站的心脏：裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理见下表：
组成部分 材料 作用
裂变材料 (核燃料) 浓缩铀(U) 提供核燃料
续　表
组成部分 材料 作用
慢化剂(减速剂) 石墨、重水或普通水 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉 吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层 石墨 阻止中子逃逸
热交换器 水 产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电
防护层 金属套和钢筋混凝土 防止射线对人体及其他生物体的侵害
　关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是 (　　)
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
[思路点拨] 本题考查对反应堆中各种材料的用途的认识．
[解析]　镉棒不是离子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出少吸收中子，故C正确．
[答案]　C
　现已建成的核电站的能量来自于(　　)
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
解析：选C.核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量．
　裂变核能的计算[学生用书P58]
　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：
U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
[思路点拨] 根据核反应前后质量数和电荷数守恒确定锆(Zr)的质量数和电荷数，先求一个U裂变释放出的能量，再求1 kg U的原子核数，最后求出1 kg U裂变释放的能量．
[解析]　(1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90.
(2)质量亏损
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u.
一个铀核裂变释放能量ΔE＝Δm×931.56 MeV
＝0.217 4×931.56 MeV≈202.5 MeV，
1kg铀核含有的原子核数为
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个，
1kg铀核产生的能量
E总＝n·ΔE＝2.562×1024×202.5 MeV
≈5.2×1026 MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J
≈8.3×1013 J.
[答案]　(1)40　90　(2)8.3×1013 J

[随堂检测] [学生用书P58]
铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　　)
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D．能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：选C.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．
(多选)下列核反应方程及其表述正确的是(　　)
A.Be＋He―→C＋n是人工核转变
B.U―→Th＋He是α衰变
C.U＋n―→Kr＋Ba＋3n是裂变反应
D.Na―→Mg＋e是裂变反应
解析：选ABC.A是人工核转变，B是α衰变，C是裂变，D是β衰变，故D不正确．
核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成(　　)
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统
解析：选A.根据核反应堆的基本特点及组成确定．故正确答案为A.
(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是(　　)
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．核能发电对环境的污染比火力发电要大
C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D．重核裂变是比较清洁的能源，污染较小
解析：选ACD.目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A、C、D正确，B错误．
二战末期，美国在日本广岛投下的原子弹相当于2万吨TNT炸药释放的能量，已知1 kg TNT炸药爆炸时释放的能量是4.2×106 J，则该原子弹含有纯U多少千克？(1个U原子核裂变时放出200 MeV能量，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023个/mol)
解析：2万吨TNT炸药爆炸时放出的能量E＝2×107×4.2×106 J＝8.4×1013 J，
1个U原子核放出的能量ΔE＝200 MeV，
设纯U的质量为M，则E＝NΔE＝NAΔE，
故M＝＝ g
≈1.0×103 g＝1.0 kg.
答案：1.0 kg
[课时作业] [学生用书P101(独立成册)]
一、单项选择题
下列关于重核裂变的说法中正确的是(　　)
A．裂变过程中释放能量
B．裂变过程中吸收能量
C．反应过程中质量增加
D．反应过程中质量不变
解析：选A.重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量．
在核反应堆外修建很厚的水泥墙是为了防止(　　)
A．核爆炸　　　　　　　　 B．放射线外泄
C．核燃料外泄 D．慢中子外泄
解析：选B.核反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥墙就是为了防止放射线外泄，B正确．
人类通过链式反应利用核能的方式有(　　)
A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子反应堆
B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹
C．利用可控制的慢中子链式反应，制成原子弹
D．利用不可控制的慢中子链式反应，制成原子弹
解析：选B.原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能；原子核反应堆释放核能的速度是稳定的，链式反应的速度可以控制，因此答案选B.
4．中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于该电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　)
A.U＋n―→Sr＋Xe＋10n
B.Na―→Mg＋e
C.N＋He―→O＋H
D.U―→Th＋He
解析：选A.目前已建成的核电站的能量来源于重核的裂变，重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．
下面是铀核裂变反应中的一个为U＋n→Xe＋Sr＋10n，已知铀235的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中(　　)
A．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2) u
B．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7) MeV
C．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2 J
D．释放总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV
解析：选D.质量亏损是反应物与生成物之差，差值可用“u”或“kg”作单位，前者直接用1 u的亏损放出931.5 MeV的能量计算，后者核能的单位是焦耳．
1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：选D.由于1 mol的铀核质量为235 g，1 g铀235 摩尔数为，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故D正确．
一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n―→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)
A．X原子核中含有86个中子
B．X原子核中含有141个核子
C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加
D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
解析：选A.由质量数守恒和电荷数守恒知：235＋1＝a＋94＋2×1，92＝b＋38，解得：a＝140，b＝54，其中a为X的质量数，b为X的核电荷数，X核中的中子数为：a－b＝140－54＝86，由此可知A对，B错；裂变释放能量，由质能关系可知，其总质量减少，但质量数守恒，故C、D均错．
二、多项选择题
镉棒在核反应堆中所起的作用是(　　)
A．使快中子变成慢中子
B．吸收中子
C．使反应速度加快
D．控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析：选BD.在核反应堆中，石墨起使快中子变为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故B、D正确．
关于铀核裂变，下述说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯235U
D．铀块的体积对产生链式反应是有影响的
解析：选BCD.铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性．但裂变成两块的情况比较多， 也有的分裂成多块，并放出几个中子，235U受中子的轰击时，裂变的概率大．而238U只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C、D正确．　
10．核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是(　　)
A．X为中子，a＝2
B．X为中子，a＝3
C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2
D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2
解析：选BC.核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知U＋n―→Ba＋Kr＋aX中X为n，a＝3，则A错，B对；由ΔE＝Δmc2可得：ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C对，D错．
三、非选择题
一静止的U核经α衰变成为Th核，释放出的总动能为4.27 MeV，问此衰变后Th核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?
解析：据题意知，此α衰变的衰变方程为
U→Th＋He
根据动量守恒定律得
mαvα＝mThvTh ①
式中，mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量，vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度的大小．由题设条件知
mαv＋mThv＝Ek ②
＝ ③
式中Ek＝4.27 MeV是α粒子与Th的总动能．
由①②③式得
mThv＝Ek
代入数据得，衰变后Th核的动能
mThv＝0.07 MeV.
答案：0.07 MeV
在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
(1)核反应方程式U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________，mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光子在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝__________________________．
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，U核的质量mU
＝390×10－27 kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量．
解析：(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒定律可判断X为中子eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(n))，且a＝3，据爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2，即ΔE＝[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2.
(2)因核电站的核能转化效率为40%
故核电站消耗U的功率为
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
则核电站每年消耗U所释放的能量为
E＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J
＝7.875×1016 J
故每年消耗U的质量为
m＝·mU＝×390×10－27 kg≈1 105 kg.
答案：(1)n　3　[mU－(mBa＋mKr＋2mn)]·c2
(2)1 105 kg